MODELAGEM DA CINÉTICA DA SECAGEM SOLAR DA MANGABA (Hancornia speciosa) CONSIDERANDO OS EFEITOS DO ENCOLHIMENTO

Transcrição

1 MODELAGEM DA CINÉTICA DA SECAGEM SOLAR DA MANGABA (Hancornia speciosa) CONSIDERANDO OS EFEITOS DO ENCOLHIMENTO A. L. SILVA 1, J. R. A. NETO 1, V. C. S. SANTO¹, G. F. SILVA 2, L. F. MONTEIRO², A. S. LIMA 1, O. L. S. ALSINA. 1 ¹Universidade Tiradentes, Instituto de Tecnologia e Pesquisa 2 Universidade Federal de Sergipe, Laboratório de Tecnologias Alternativas RESUMO O trabalho teve como objetivo o estudo da cinética de secagem solar da mangaba considerando o efeito do encolhimento. A secagem da mangaba nos estádios quase madura e madura foi realizada em secador solar indireto, com temperaturas variando entre 40 e 70 C. Foram atingidas umidades finais de 26,50% e 36,63% (b.s), respectivamente, em um tempo de secagem de 28 h de maneira intermitente. A secagem solar influenciou positivamente na redução da umidade da fruta. Para descrever a cinética de secagem foi utilizado o modelo de regressão não linear de Fick. A difusividade mássica apresentou valores de 1,34 x e 6,49 x m²/s para as mangabas quase madura e madura, respectivamente. O encolhimento foi observado nas condições estudadas, entretanto foi maior na fruta madura, o qual se mostrou em torno de 38,08%. O modelo de Fick mostrou um bom ajuste para as condições, quando considerado o efeito do encolhimento. ABSTRACT This work aimed to study the solar drying kinetics mangaba considering the effect of shrinkage. The drying was conducted in an indirect solar dryer with temperatures ranging between 40 and 70 C, where whole fruits "almost mature" mature and were placed in stainless steel sieve and allocated in a warm air passage chamber. They were achieved final moisture content of 26,50% and 36,63% (d.b), respectively, a drying time of 1680 min. Solar drying positively influenced the reduction of fruit moisture. To describe the drying kinetics model was used nonlinear regression Fick. The diffusivity showed values of 1,34 x e 6,49 x m²/s for mangabas "almost mature" and mature ", respectively. The shrinkage was observed under the conditions studied, but was higher in the ripe fruit, which showed around 38.08%. PALAVRAS-CHAVE: mangaba; secagem; encolhimento. KEYWORDS: mangaba; drying; shrinkage. 1. INTRODUÇÃO A mangaba (Hancornia speciosa) é o fruto da mangabeira, pertencente a família Apocynaceae. É nativa do Brasil, ocorrendo espontaneamente em diversas regiões e biomas brasileiros, bastante típica do cerrado e da região Nordeste. O Estado de Sergipe é o seu maior produtor, detentor da metade da produção nacional, com 353 toneladas no ano de 2014, o que representa 53,55% da produção (Campos et al., 2011; Carvalho 2011; IBGE, 2015). A fruta apresenta grande aceitação por parte do consumidor devido a algumas características particulares, como ótimo aroma e sabor, apresentar boa digestibilidade, alto valor nutritivo, teores de proteínas e vitamina C, podendo ainda ser consumida in natura ou industrializada (Carnelossi et al., 2009; Ganga et al., 2010). A exploração agrícola da mangaba é bastante limitada devido ao curto período de colheita e alta perecibilidade, em virtude do excessivo teor de umidade, em torno de 90%, além de características da estrutura, como a casca fina e elevado conteúdo nutricional da polpa, que como conseqüência se

2 mostra suscetível a danos mecânicos durante o manejo e ação microbiana, diminuindo o tempo de prateleira (Carnelossi, et al., 2009; Soares et al., 2012). Uma alternativa para a conservação de frutas e hortaliças, é a secagem, processo bastante utilizado na remoção da água presente nos alimentos. A secagem consiste em um segmento com grande potencial de crescimento mercadológico, pouco explorado no Brasil. A desidratação de frutas e hortaliças, tem como objetivo garantir a conservação do produto através da redução da atividade de água (a w ), de forma a inibir o desenvolvimento microbiano, conferindo ao produto final algumas de suas características organolépticas além, de preservar ao máximo o seu valor nutricional (Lenart, 1996; Machado, 2011). Porém, uma desvantagem do processo de secagem é a contração volumétrica, conhecida como "encolhimento", a qual pode ser entendida como uma deformação significativa na estrutura, tais como a forma e dimensão da amostra, que ocorre juntamente com a transferência de calor e massa (Mayor e Sereno, 2004; Aprajeeta et al., 2015). A secagem pode ocorrer por diversos métodos, sendo o mais antigo a utilização da energia solar para tal fim. Nesse contexto, o Brasil é um país privilegiado no que se refere ao potencial energético solar, já que grande parte do seu território dispõe de sol durante todo o ano, caso da região Nordeste. A secagem utilizando a energia solar constitui uma opção vantajosa na viabilidade de projetos que poderiam promover o desenvolvimento dessa região em setores como a secagem de frutas devido ao baixo custo para pequenos e grandes produtores, além, de se enquadrar como uma alternativa de energia limpa e renovável. (Fudholi et al., 2010; ELkhadraoui et al, 2015) O objetivo desse trabalho foi estudar a cinética da secagem solar da mangaba (Hancornia speciosa) in natura nos estádios de maturação quase madura e madura considerando o efeito do encolhimento durante o processo, descrita pela Segunda Lei de Fick. 2. MATERIAL E MÉTODOS As mangabas foram obtidas no Mercado Municipal da cidade de Aracaju SE, Brasil, selecionas de acordo com o peso, tamanho, firmeza, grau de maturação ( quase madura e madura) e ausência de danos mecânicos. As amostras foram lavadas com água corrente para eliminar sujidades, mergulhadas em solução de hipoclorito de sódio (4-6% p/v) e secas em papel absorvente (papel toalha). A secagem foi realizada em um secador solar indireto com temperaturas variando ao longo do dia entre 40 e 70 C, de forma intermitente. Os frutos nos estádios de maturação quase madura e maduro foram dispostos em peneiras de aço inox e alocados em uma câmara de passagem de ar, a qual funcionava sobre o princípio básico da passagem de ar quente através de um coletor solar e câmara de passagem de ar quente. Para acompanhamento da cinética de secagem foram construídas curvas de secagem com o teor de umidade das mangabas ao longo do tempo de secagem, indicando o comportamento da redução do conteúdo de umidade do material. As curvas de secagem foram construídas por meio da determinação dos valores da razão da umidade adimensional (X*) versus o tempo de secagem, conforme mostra a Equação 1. As amostras foram retiradas em intervalos pré determinados de 120 minutos, para determinação do peso e medidas com o auxílio de balança analítica e análise de imagens, respectivamente. A massa seca foi determinada pelo método da estufa sem circulação de ar, na qual as amostras in natura nos estádios quase madura e madura foram submetidas a estufa em cadinho de porcelana por um período de 24 horas a 105 C. O encolhimento das amostras foi observado ao longo de todo o processo de secagem, e mensurado por meio de análise de imagens, na qual as amostras foram colocas sempre em uma mesma distância e posição com réguas nas laterais e na parte inferior da bandeja para captura da imagem. As imagens foram analisadas com o auxílio de um software ImageJ.

3 X * X X tempo inicial X X eq eq (1) Onde: X tempo é a umidade da amostra ao longo da secagem (g), X inicial é a umidade inicial da amostra e X eq é a umidade da amostra após atingir o equilíbrio. Os dados experimentais das curvas de secagem para duas condições foram ajustados ao modelo matemático de secagem baseado na Segunda Lei de Fick para descrever a transferência de massa com fluxo de líquido do interior da fruta. A equação utilizada foi uma simplificação da segunda Lei de Fick, como mostra a Equação 2 (CRANK, 1975; KEEY, 1997), levando em consideração os longos períodos de secagem, a geometria esférica da fruta, resistência interna desprezível, encolhimento/não encolhimento do material e que o processo é controlado por difusão interna X* exp n D 2 2 n1 n ef t r 2 (2) * Onde, X consiste razão de umidade, t é o tempo de secagem, D ef é a difusividade efetiva (m²/s), r, o raio (m) e n o número de termos da série necessários para atingir a convergência. Para obtenção dos dados da difusividade efetiva considerando o efeito do encolhimento fez-se o uso do programa Statistica O ajuste do modelo matemático foi realizado por análise de regressão não linear, pelo método Gauss-Newton. O grau de ajuste de cada modelo considerou a magnitude do coeficiente de determinação (R 2 ), e o desvio relativo médio (DRM), como mostra a Equação 3, adotando um nível de confiança de 95%. P O DRM 1 (3) N P Onde, N é o número de valores obtidos, P são os valores calculados do modelo e O são os valores experimentais. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A partir dos dados experimentais da secagem da mangaba nas condições especificadas anteriormente foram construídas as curvas de secagem, as quais são representadas na Figura 1. Pode-se observar que as amostras seguem comportamentos diferenciados até aproximadamente 480 min., onde a mangaba madura tende a ter uma pequena elevação na curva e posteriormente retorna a uma tendência de perda de umidade gradual. Após esse período as amostras mostram um comportamento semelhante para os diferentes estádios de maturação. A perda de umidade ocorre mais rapidamente no início do processo de secagem e tende à estabilização da umidade após um longo tempo de processo. Este comportamento revela que o tempo de secagem desempenha influencia sob a cinética de secagem de alimentos, como foi observado por outros autores na desidratação de frutas tropicais, como Nunes et al. (2014), Machado et al. (2011) em secagem de jabuticaba e caju, respectivamente.

4 Figura 1 Curvas de secagem da mangaba: razão da umidade em função do tempo A contração volumétrica, pode ser observada na Figura 2, se mostrando maior nas amostras maduras, com teor de retração de aproximadamente 38,08%, enquanto as frutas quase madura apresentaram em torno de 19,33%, tal fato pode ser ocasionado devido a estrutura complexa da fruta quase madura, a qual apresenta uma quantidade visivelmente maior de látex presente entre a casca da fruta e a polpa, diferentemente da amostra madura. Essas características mostram que durante a cinética de secagem ocorrem diferentes mecanismos de transporte de calor e massa, o que dificulta a descrição do processo com base em modelos fenomenológicos. Além da redução do volume, a secagem conferiu coloração característica às amostras, possivelmente devido à concentração de solutos e à reação de Maillard (Celestino 2010). Figura 2 (a) Mudança na coloração das amostras nos tempos inicial (t=0) e final (1680min); (b) Valores obtidos para o encolhimento: (V/V i ) em função do tempo. (a) (b)

5 Na Figura 2b é possível notar, que o encolhimento é bastante intenso nas duas primeiras horas de secagem nas frutas com estádios de maturação quase madura, enquanto para a fruta madura a contração volumétrica mostra uma tendência gradual, apesar de ambas apresentarem umidades iniciais elevadas e semelhantes. Após esse período o encolhimento apresenta comportamento semelhante para as amostras quase madura e madura até os instantes finais da secagem. Este mesmo comportamento já foi observado por outros autores na secagem convectiva de outras frutas, Yan et al. (2008), observaram que o encolhimento diminui relativamente nos instantes iniciais da secagem e se estabilizam a partir da umidade em torno de 30% (b.u.) na secagem convectiva de fatias de banana, manga e abacaxi. Esse efeito pode ser atribuído a redução da porosidade e colapso das estruturas celulares das amostras maduras em relação as quase madura, já que as frutas maduras encolhem em torno de 70% seguindo a mesma tendência, enquanto as quase madura apresentam uma queda inicial e em seguida comportam-se de maneira semelhante as amostras maduras. A atividade de água e o teor de sólidos solúveis ( Brix) também influenciam na taxa de secagem, bem como no coeficiente de difusão, quando quanto maior o Brix menor a atividade de água, porém no caso estudado pode-se observar que apesar do Brix mostrar diferença significativa para os diferentes experimentos, as atividades de água são semelhantes, pois a fruta quase madura apresenta teores de sólidos solúveis médios de 9 Brix, enquanto a madura 17 Brix. As atividades de água iniciais foram de 0,975 e 0,982, obtendo-se no final resultados 0,552 e 0,650 para as amostras quase madura e madura, respectivamente. Os coeficientes de difusão (D ef ), obtidos por meio da Segunda Lei de Fick utilizando 4 termos, apontaram diferenças consideráveis entre as amostras quase madura e madura, apresentando valores de 1,34 x e 6,49 x m²/s, para as condições quase madura e madura, respectivamente. Com base nos dados obtidos foi possível observar que o ajuste se mostra melhor quando se considera a contração volumétrica, fato que pode ser observado nos coeficientes de correlação (R²) e nos baixos valores de desvio relativo médio (DRM) que foi de 0,02 para ambas as condições, como pode ser visto na Figura 3. Figura 3 Ajuste das condições estudadas a Segunda Lei de Fick com e sem encolhimento: (a) Madura sem encolhimento (R²=0,88); (b) Madura com encolhimento (R²=0,95); (c) Quase madura sem encolhimento (R²=0,92); (d) Quase madura com encolhimento (R²=0,97) (a) (b) (c) (d)

6 4. CONCLUSÃO A secagem solar influencia positivamente na redução da umidade da mangaba in natura quase madura e madura, na qual foi possível obter umidades finais de 26,50% e 36,63% (b.s), respectivamente, em um tempo de secagem de 1680 min. O encolhimento foi observado em todas as condições estudadas, entretanto foi maior na fruta madura, o qual se mostrou em torno de 38,08%. O modelo de difusão esférica baseado na Segunda Lei de Fick mostrou-se adequado para determinar a difusividade mássica durante o processo de secagem considerando a contração volumétrica das frutas nos diferentes estádios de maturação, com valores de difusividade mássica variando entre 1,34 x e 6,49 x m²/s. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aprajeeta, J., Gopirajah, R., Anandharamakrishnan, C. (2015). Shrinkage and porosity effects on heat and mass transfer during potato drying. Journal of Food Engineering, 144, Campos, R. P., Knoch, B., Hiane, P. A., Ramos, M. I. L., Ramos Filho, M.M. (2011). 1-MCP em Mangabas armazenadas em temperatura ambiente e a 11 ºC. Revista Brasileira de Fruticultura, 33(1), Carnelossi, M. A. G., De Sena, H. C., Narain, N., Yaguiu, P., Silva, G. F. (2009). Physico-chemical quality changes in mangaba (Hancornia speciosa Gomes) fruit stored at different temperatures. Brazilian Archives of Biology and Technology, 52 (4), Carvalho, F.A. (2011). Diversidade de um cerrado sensu stricto com base em modelos de abundância de espécies. Jornal Bioscience, 27(1), ELkhadraoui, A., Kooli, S., Hamdi, I., Farhat, A. (2015). Experimental investigation and economic evaluation of a new mixed-mode solar greenhouse dryer for drying of red pepper and grape. Renewable Energy, 77, 1-8. Fudholi, A., Sopian, K., Ruslan, M. H., Alghoul, M. A., Sulaiman, M. Y. (2010). Review of solar dryers for agricultural and marine products. Renewable & Sustainable Energy Review, 14, Ganga, R. M., Ferreira, G. A., Chaves, L. J., Naves, V. R., Nascimento, J. L. (2010). Caracterização de frutos e árvores de populações naturais de Hancornia speciosa GOMES do cerrado. Revista Brasileira de Fruticultura, 32 (1), IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo Agropecuário: banco de dados. Disponível em: < Acesso em: 05 de Abril de Lenart, A. (1996). Osmo-convective drying of fruits and vegetables: Tecnology and application. Drying Technology, 14 (2), Machado, A. V., Oliveira, E. L., Santos, E. S., Oliveira, J. A. (2011). Estudo cinético da secagem do pedúnculo de caju e um secador convencional. Revista Verde de Agroecologia e Desenvolvimento Sustentável, 6, Mayor, L., Sereno, A. M. (2004). Modelling shrinkage during convective drying of food materials: a review. Journal of Food Engineering, 61, Soares, D. S. C., Silva, G. F., Silva, T. C. S., Nunes, T. P. (2012). Half-ripe Mangaba (Hancornia speciosa Gomes) freezing kinetics with diferente diameters. Chemical Engineering Transaction. 29, Yan, Z., Souza-Gallagher, M. J., Oliveira, F. A. R. (2008). Shrinkage and porosity of banana, pineapple and mango slices during air-drying. Journal of Food Engineering, 84,